陜南地區(qū)無黏性土邊坡穩(wěn)定數(shù)值模擬★

趙 陽 郭 鴻 蘇一辰 屈 晨 杜 宇

(1.陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000； 2.寶雞市第一建筑工程有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

陜南地區(qū)無黏性土邊坡穩(wěn)定數(shù)值模擬★

趙 陽1，2郭 鴻1*蘇一辰1屈 晨1杜 宇1

(1.陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000； 2.寶雞市第一建筑工程有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

為直觀的分析滑坡的細(xì)觀機理，對陜南地區(qū)無黏性土邊坡進行了離散元模擬[1]，并利用顆粒流模擬方法，對土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和剪切帶形成機理進行了微觀數(shù)值模擬，將土體微觀結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的宏觀力學(xué)特性結(jié)合起來，分析了土體剪切帶的形成與發(fā)展過程，得出了一些有價值的結(jié)論。

滑坡，數(shù)值模擬，離散元，顆粒流

0 引言

土坡的失穩(wěn)破壞過程，不是一個靜態(tài)過程，而是存在著土塊的滑移、翻轉(zhuǎn)和斷裂以及土體逐漸變松等較復(fù)雜的過程。土體在宏觀上具有不連續(xù)性以及單個塊體運動的隨機不確定性，邊坡土體的不同位置的力學(xué)性質(zhì)、位移的規(guī)律等也不盡相同。所以研究土體的破壞過程并非易事。20世紀(jì)70年代提出的離散元法就是一種研究滑坡動力特性的數(shù)值方法，它利用顆粒流模擬土坡的變形破壞的過程中從細(xì)觀上定義顆粒之間的接觸關(guān)系，該計算過程是邊坡內(nèi)部求得穩(wěn)定狀態(tài)的自然調(diào)整過程，故不要求具有連續(xù)的位移和協(xié)調(diào)的變形，通過模擬過程便可直觀得到邊坡的滑倒、開裂的過程，以及最后滑裂面的形狀和位置。所以利用離散元法進行模擬很合理，可以說是模擬邊坡變形破壞特性的比較理想的途徑。本文利用顆粒流對陜南地區(qū)砂性土進行了模擬。

1 模型建立

邊坡失穩(wěn)一般是滑動面的剪切破壞。所以，邊坡的最大剪應(yīng)力就成為決定邊坡穩(wěn)定性的最重要的因素之一。本文采用PFC模擬滑坡穩(wěn)定。和其他建模方法不同的是，PFC建立的模型首先在自重作用下平衡后，再設(shè)置強度參數(shù)。首先建立高10 m，長20 m的邊坡。讓其先在自重作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基本模型初始穩(wěn)定狀態(tài)(見圖1)。接著對矩形邊坡基本模型進行3次開挖，每次開挖2 m深度(開挖顆粒是為了產(chǎn)生卸載作用來破壞PFC模型整體性)建立邊坡模型，直到邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，坡高為6 m，坡角60°。我們?yōu)槿菀子^察細(xì)小顆粒的移動情況，把土體顆粒隔一定距離設(shè)置為不相同顏色，如圖2所示。

2 模擬過程及結(jié)果分析

邊坡的破壞形式受外界因素和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。邊坡的開裂、失穩(wěn)從根本上來講是土坡本身求得穩(wěn)定狀態(tài)的自然修整過程。對土體而言，決定土體穩(wěn)定的主要因素是其抗剪強度和弱結(jié)構(gòu)面。另一方面，自然作用和人類活動對邊界條件的影響也就是改變了土體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)。因此，結(jié)構(gòu)對土體穩(wěn)定有重要影響，有必要基于土體自身結(jié)構(gòu)特點，探索土體的細(xì)觀參數(shù)對邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律。

應(yīng)用數(shù)值模擬進行邊坡穩(wěn)定性分析時為使邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，通常可采用的方法有重力增加法[2]。根據(jù)重力增加法的定義，對于PFC模型來說，在模型計算中保持其他參數(shù)不變而重力加速度逐漸增加直到邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)。在實際計算中，可以采用二分法的計算方法，快速找到臨界加速度。本文提出的PFC邊坡模型可以在重力增加法的作用下，自動形成破壞初始滑動面也就是最危險滑動面。

根據(jù)宏細(xì)觀參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，對無黏性土坡進行模擬。顆粒體生成后在自重應(yīng)力下逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)，然后刪去多余的顆粒形成設(shè)定的邊坡形狀。由于刪除顆粒后，底部顆粒應(yīng)力變化，故需在形成邊坡后需要進一步平衡，使邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。考慮到計算機的運算能力和精度，本模擬減小了實際土顆粒的數(shù)量，即模擬采用的顆粒半徑大于實際土顆粒半徑。

PFC2d模擬過程見圖3～圖8。由圖可以看出，無黏性土坡中，顆粒首先由坡頂向下運動，然后帶動相鄰的顆粒繼續(xù)向下運動，把坡腳處起承壓作用的砂粒帶動后便使整個坡腳的顆粒向外滑出，繼而導(dǎo)致坡面中上部的土顆粒失去支撐作用而發(fā)生較大規(guī)模的滑動。由于顆粒之間沒有粘結(jié)力，完全是靠顆粒之間的接觸力來維持平衡，當(dāng)前面的顆粒滑下去后，后面的顆粒在失去支撐后馬上滑至前面的顆粒留下的空白處。從模擬過程還可以明顯看出來，在剛開始時坡腳出現(xiàn)壓密現(xiàn)象，即圖中坡下部分的格子距離不斷變小，而土坡的中部和頂部表現(xiàn)為受拉即在坡的中部和頂部由上而下開始出現(xiàn)較大的錯動，在坡頂出現(xiàn)較明顯的滑移—拉裂型破壞面，但是滑坡體內(nèi)的距離變化并不是很大，坡體底部砂土出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

3 擋土墻模擬

傳統(tǒng)的邊坡加固設(shè)計及處理措施主要是沿線設(shè)置點，如抗滑擋墻和抗滑樁，一般說是有效的，其加固作用是提高巖體的整體性和自身的強度，從而達(dá)到邊坡穩(wěn)定的目的[3]。在較大規(guī)模邊坡治理措施的選擇時應(yīng)優(yōu)先考慮整體性加固措施。本文就采用了擋土墻進行支擋防護，用PFC2d進行了相應(yīng)的模擬。擋土墻尺寸高2 m，埋深0.5 m，頂部寬0.46 m，底部寬1 m。從圖9，圖10可以看出添加擋土墻后，施加在墻背的被動土壓力不均勻，隨著時間的推移，墻背的壓力變得均勻，墻后土體的位移也逐漸減小，邊坡也逐漸趨向穩(wěn)定狀態(tài)，如圖11,圖12所示。

4 結(jié)語

通過資料對本地區(qū)土性的基本了解，主要以無黏性邊坡為研究對象，利用顆粒流模擬方法，對土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和剪切帶形成機理進行微觀數(shù)值模擬，將土體微觀結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的宏觀力學(xué)特性聯(lián)系起來，對土體剪切帶的形成與發(fā)展等進行了解。主要得出了以下結(jié)論：

1)從實驗結(jié)果明顯可以看出，可以用顆粒流進行模擬，該模擬過程不需要事先假設(shè)滑移面的狀態(tài)，粒子按照接觸力的位置，使其從抗剪強度最小的位置發(fā)生破壞。

2)從理論上講荷載所引起的土坡破壞形式和由于土坡本身抗剪強度不足而引起的土坡破壞的形式有所不同。一般來說由于土體強度不足的破壞，首先是坡腳先開始小的滑坡，最后導(dǎo)致較大的滑坡。其破壞形式為上部拉裂、中部剪切，底部擠壓；但是受外部荷載作用而破壞的土體破壞形式有點不同，為上部擠壓破壞，中部和底部均為剪切破壞。

3)從顆粒流模擬過程中可以明顯看出砂性土坡的破壞具有瞬時突發(fā)性，當(dāng)外荷載達(dá)到一定后，突然形成直線型的破壞面。

[1] 胡 徽，陳 華，包文靜.邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析方法研究進展[J].公路交通科技，2010(8)：65-67.

[2] 周 健，王家全，曾 遠(yuǎn).土坡穩(wěn)定分析的顆粒流模擬[J].巖土力學(xué)，2009(1):86-90.

[3] 周偉義,彭衡和,鄭祖勇.高速公路路塹邊坡治理綜合決策[J].公路，2003(1):113-117.

Numerical simulation of slope stability of southern Shaanxi non-cohesive soil★

Zhao Yang1，2Guo Hong1*Su Yichen1Qu Chen1Du Yu1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China；2.BaojiNo.1ConstructionCo.,Ltd,Baoji721006,China)

In order to analyzes the meso-mechanism of landslides, the paper has the distinct element simulation of the non-cohesive soil in Southern Shaanxi areas, adopts the grain flow method to simulation method to have the micro-numeric simulation of the soil stress and strain relationship and mechanism of the shear zones by combining the soil microstructures with the respective macro-dynamic features, analyzes the formation and development of the soil shear zones, and achieves valuable conclusion.

landslide, numeric simulation, distinct element, grain flow

2015-05-25★：陜西省教育廳基金和陜西理工學(xué)院創(chuàng)新訓(xùn)練計劃基金支持

趙 陽(1992- )，男； 蘇一辰(1993- )，女，在讀本科生； 屈 晨(1993- )，女，在讀本科生； 杜 宇(1992- )，女，在讀本科生

郭 鴻(1984- )，男，博士，講師

1009-6825(2015)22-0061-02

TU413.62

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